貴州煤與瓦斯突出特征統(tǒng)計(jì)分析

貴州煤與瓦斯突出特征統(tǒng)計(jì)分析

貴州是中國(guó)的一個(gè)省。由于其特殊的喀斯特地形特征、獨(dú)特的煤層分布特征和復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)，將有60%以上的高磚瓦和煤炭開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)，這是嚴(yán)重的。實(shí)踐表明,煤與瓦斯突出特征符合一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,對(duì)于同一地區(qū),由于煤層賦存、地質(zhì)等條件的相似性,統(tǒng)計(jì)規(guī)律更為明顯,這些統(tǒng)計(jì)指標(biāo)對(duì)制定相應(yīng)的預(yù)防措施有一定的指導(dǎo)意義,甚至可以作為預(yù)測(cè)突出的判據(jù)?；谶@一觀(guān)點(diǎn),通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的方式,對(duì)貴州典型礦區(qū)22對(duì)及部分地方礦井的523次突出事故資料進(jìn)行系統(tǒng)的、全面的整理統(tǒng)計(jì),分析貴州煤與瓦斯突出特征及影響因素。1重要特征統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的確定1.1煤與瓦斯突出特征統(tǒng)計(jì)特性的研究影響突出的各種因素對(duì)突出的發(fā)生、突出方式、突出強(qiáng)度等的作用程度不近相同。且目前對(duì)煤與瓦斯突出機(jī)理尚未完全掌握,所以很難用某種數(shù)學(xué)方法定量的描述突出受何種因素影響及各因素對(duì)突出的影響程度如何。研究表明,煤與瓦斯突出滿(mǎn)足動(dòng)力耗散系統(tǒng)的自相似規(guī)律,即在同一地質(zhì)條件下,采用相同的生產(chǎn)方式,不同強(qiáng)度的突出指標(biāo)滿(mǎn)足相似律,可以推定同一地區(qū)的突出特征遵循一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。因此,對(duì)突出特征的研究只能立足于大量的突出事故數(shù)據(jù),而突出特征的統(tǒng)計(jì)又屬于多元統(tǒng)計(jì)體系,在對(duì)突出資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí),應(yīng)遵循以下原則:1)指標(biāo)有助于預(yù)測(cè)、預(yù)防煤與瓦斯突出。3)指標(biāo)的數(shù)據(jù)計(jì)算和測(cè)量方法應(yīng)具有一致性和精確性。4)對(duì)突出卡片無(wú)明確記錄或記錄不清楚的,統(tǒng)計(jì)過(guò)程中不予考慮。5)不根據(jù)其它因素推測(cè)另一因素。1.2突出資料統(tǒng)計(jì)分析煤與瓦斯突出的理論研究證明,煤層地質(zhì)是突出的基礎(chǔ),而礦井的生產(chǎn)方式?jīng)Q定了突出類(lèi)型和強(qiáng)度。因此,根據(jù)貴州煤與瓦斯突出的資料情況,選取突出資料中的下列因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析:1)突出前預(yù)兆、突出后的動(dòng)力效應(yīng)即突出對(duì)巷道的破壞程度。2)突出點(diǎn)煤層厚度及變化情況、煤層傾角及變化情況、地質(zhì)構(gòu)造。3)突出類(lèi)型、突出地點(diǎn)埋深、巷道類(lèi)型、突出地點(diǎn)作業(yè)方式、突出煤量。2貴州煤炭和磚瓦的突出特征2.1突出為主的分布區(qū)貴州煤礦突出類(lèi)型包含突出、壓出、傾出3種,但不同礦區(qū)有較大差別,如水域礦區(qū)以突出為主,占50.5%;盤(pán)江以?xún)A出為主,占50%;林東以壓出為主,占46.3%。但就全省情況而言,貴州以突出和壓出為主,占78.3%,傾出僅占21.6%。2.2突出強(qiáng)度分布以突出煤量作為表征突出強(qiáng)度的指標(biāo),將貴州煤礦突出強(qiáng)度劃分為5種類(lèi)型。統(tǒng)計(jì)表明,貴州以中小型突出為主,占41.2%;其次為次大型突出,占34.8%;特大型突出較少,僅占1.2%。2.3煤層始突深度分別統(tǒng)計(jì)水礦11#和六枝7#煤始突深度,可以看出,地質(zhì)異常區(qū)的始突深度比地質(zhì)正常區(qū)淺;瓦斯壓力梯度大的礦井比梯度小的礦井始突深度淺;傾角較大的煤層始突深度相對(duì)較淺;其它條件相同時(shí),傾出的始突深度最淺,壓出次之,突出最深,也證明了突出的發(fā)生需要較高的能量。2.4深度較大時(shí),貴州大省資企業(yè)已開(kāi)展較深開(kāi)采后,生活壓力在相應(yīng)隨著開(kāi)采深度的增加,突出次數(shù)和強(qiáng)度都有增大趨勢(shì),尤其是開(kāi)采深度≥300m后,突出強(qiáng)度顯著增大,但開(kāi)采深度<300m時(shí),突出強(qiáng)度變化不明顯。達(dá)到一定的深度后,出現(xiàn)了突出次數(shù)和強(qiáng)度減小的趨勢(shì),分析認(rèn)為,貴州一些礦區(qū)尚未對(duì)較深水平進(jìn)行大面積開(kāi)采。因此,就煤與瓦斯突出這一物理現(xiàn)象來(lái)說(shuō),可以認(rèn)為隨開(kāi)采深度的增加,突出危險(xiǎn)性增高,表現(xiàn)為突出的次數(shù)和強(qiáng)度增加,突出危險(xiǎn)區(qū)域擴(kuò)大。2.5出則立地條件分析在統(tǒng)計(jì)的544次突出資料中,煤平巷掘進(jìn)工作面突出最多,達(dá)249次,上山、下山、切眼共發(fā)生突出事例101次,即煤巷掘進(jìn)工作面發(fā)生突出事例350次,占事故比例的64.3%;回采工作面142次,占26.1%;石門(mén)揭煤52次,占9.6%。但石門(mén)突出的強(qiáng)度最大,明顯大于上山、平巷、切眼、采面和下山,是平巷的2.5倍,上山的2倍、下山的6.8倍、切眼的2.9倍、采面的4.8倍。2.6不同時(shí)距放炮引發(fā)的突出強(qiáng)度在425次有明確作業(yè)方式記錄的突出事故中,有419次是由放炮、打鉆、手鎬落煤、風(fēng)鎬落煤、支護(hù)等作業(yè)誘導(dǎo),占98.6%。其中,放炮作業(yè)突出336次,占79.1%,無(wú)作業(yè)突出6次,僅占1.4%。在各種作業(yè)方式中,放炮引發(fā)的突出強(qiáng)度最大,是其它作業(yè)方式下突出強(qiáng)度的2倍以上。其次為支護(hù)、移煤機(jī)、綜掘、綜采。六枝礦區(qū)曾在支護(hù)作業(yè)時(shí)發(fā)生過(guò)大型突出,但認(rèn)為不具有代表性,是支護(hù)不及時(shí)由煤(巖)體的垮落而引起的。另外,無(wú)作業(yè)時(shí)也發(fā)生了不同強(qiáng)度的突出,且以?xún)A出為主。因此,突出除地應(yīng)力、瓦斯和煤體物理力學(xué)性質(zhì)3個(gè)本質(zhì)要素外,采掘作業(yè)是重要的誘導(dǎo)因素。2.7無(wú)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)生突出在統(tǒng)計(jì)的221次有構(gòu)造記錄的突出事例中,有197次突出地點(diǎn)有斷層、褶曲、煤厚變化、傾角變化、軟分層增厚等地質(zhì)構(gòu)造特征,其中斷層和煤厚變化突出146次,占74.1%,無(wú)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)生突出24次,僅占10.9%。在各種地質(zhì)構(gòu)造中,軟分層變厚處突出強(qiáng)度最大,是其它構(gòu)造影響的3倍以上。其次是斷層、褶曲、煤厚變化,其中在煤層變厚處發(fā)生突出的強(qiáng)度和頻度都遠(yuǎn)大于煤層變薄處的強(qiáng)度和頻度。另外,“無(wú)構(gòu)造”的突出強(qiáng)度和頻度都相對(duì)較高,統(tǒng)計(jì)資料中包括了部分石門(mén)揭煤突出事故,分析認(rèn)為該現(xiàn)象不具有代表性。貴州易發(fā)生突出的地質(zhì)構(gòu)造帶主要有煤厚變化帶、壓型及壓扭性斷層帶、向斜軸部帶,煤層產(chǎn)狀急劇變化區(qū),煤層頂板破碎帶等。2.8種或2種以上的突出預(yù)應(yīng)力在382次有明確突出預(yù)兆記載的突出事故中,噴孔、煤體結(jié)構(gòu)變化、響煤炮、卡鉆、瓦斯異常等預(yù)兆突出340次,占89%,其中噴孔預(yù)兆最多,為106次,占31.2%;一次突出有2種或2種以上突出預(yù)兆的156次,占40.8%;無(wú)預(yù)兆突出42次,占11%?？梢哉J(rèn)為大多數(shù)突出發(fā)生前都會(huì)出現(xiàn)預(yù)兆,且相當(dāng)一部分突出有2種以上預(yù)兆。在各種突出預(yù)兆中,支架壓力增大突出強(qiáng)度最大,達(dá)到252.3t,其次為響煤炮,突出強(qiáng)度為206.9t。噴孔預(yù)兆的突出強(qiáng)度最小,僅47.7t。需要指出的是,噴孔預(yù)兆突出的強(qiáng)度雖小,但噴孔預(yù)兆發(fā)生突出的次數(shù)較多。另外,無(wú)預(yù)兆突出強(qiáng)度強(qiáng)度達(dá)到298.6t,反而大于其它有預(yù)兆突出強(qiáng)度,是由于統(tǒng)計(jì)中包含了石門(mén)揭煤突出,石門(mén)揭煤有安全巖柱,一般都無(wú)預(yù)兆,但突出強(qiáng)度大。2.9典型礦井的突出強(qiáng)度分析統(tǒng)計(jì)274次有明確突出點(diǎn)煤層厚度記錄的突出事例,可以看出,煤層厚度與突出頻度變化關(guān)系較為離散,但就典型礦井如汪家寨煤礦、大灣煤礦來(lái)說(shuō),突出主要發(fā)生在煤厚較大煤層。尤其是同一煤層由薄變厚處其突出危險(xiǎn)性更大;就全省而言,煤層厚度2~3m時(shí)突出強(qiáng)度較大,煤層厚度5~6m是突出強(qiáng)度最大,但平均突出強(qiáng)度的變化程度不大。因此,認(rèn)為貴州不具備突出強(qiáng)度隨著煤層厚度增加而增大的普遍特征。3影響因素分析：煤炭和磚瓦的突出影響因素3.1因素權(quán)重確定煤與瓦斯突出的發(fā)生受多種因素的影響,而各因素對(duì)突出影響程度又具有一定的模糊性,在對(duì)突出事故資料統(tǒng)計(jì)時(shí)的開(kāi)采深度、巷道類(lèi)型、作業(yè)方式、地質(zhì)構(gòu)造等因素,也并非單獨(dú)反映地應(yīng)力、瓦斯和煤體的力學(xué)性質(zhì)的某一個(gè)方面。而且任何突出地點(diǎn)也并非全部具備這些條件。因此,若要對(duì)這些地點(diǎn)突出危險(xiǎn)程度進(jìn)行判斷,需要將這些影響因素進(jìn)行綜合比較,考慮每一個(gè)因素對(duì)突出的影響程度,并確定主要因素。目前確定因素權(quán)重應(yīng)用比較廣泛的方法主要有專(zhuān)家調(diào)查法、專(zhuān)家評(píng)議法、層次分析法、主成分分析法。其中,前3種方法都有通過(guò)專(zhuān)家打分或人為判斷各因素間的相互標(biāo)度的過(guò)程,容易受個(gè)人知識(shí)水平和經(jīng)驗(yàn)的限制。而主成分分析法能克服以上方法的缺點(diǎn),將多項(xiàng)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾項(xiàng)綜合指標(biāo),用綜合指標(biāo)來(lái)解釋多變量的方差-協(xié)方差結(jié)構(gòu)。用少數(shù)幾個(gè)主成分集中原始變量的大部分信息,在應(yīng)用上側(cè)重于信息貢獻(xiàn)影響力綜合評(píng)定各因素的權(quán)重,且該方法比較適用于在多種相關(guān)因素共同作用時(shí)分析各因素的權(quán)重。3.2煤量特征及統(tǒng)計(jì)結(jié)果在對(duì)煤與瓦斯突出資料統(tǒng)計(jì)過(guò)程中,均是將同一組數(shù)據(jù)從不同的影響因素方面進(jìn)行分析,即對(duì)每種因素的分析使用的是相同的數(shù)據(jù)資料。統(tǒng)計(jì)平均突出煤量過(guò)程中,采用次數(shù)的加權(quán)平均,其數(shù)學(xué)模型如下:式中:Q為平均突出煤量,t;Qi為每次突出煤量,t;ni為統(tǒng)計(jì)次數(shù),無(wú)因次。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,煤層厚度對(duì)突出影響不具有普遍性。因此,按式(1)計(jì)算得到開(kāi)采深度、巷道類(lèi)型、作業(yè)方式、地質(zhì)構(gòu)造、突出預(yù)兆等因素影響下的平均突出煤量,并計(jì)算突出煤量方差值見(jiàn)表1。3.3確定作業(yè)方式和突出麻黃按照主成分分析法的數(shù)學(xué)建模過(guò)程(計(jì)算過(guò)程略),計(jì)算各因素主成分得分,假設(shè)開(kāi)采深度為X1、巷道類(lèi)型為X2、地質(zhì)構(gòu)造為X3、突出預(yù)兆為X4、作業(yè)方式為X5,則重新組成的5個(gè)主成分P1、P2、P3、P4和P5如下:P1=-0.5360X1+0.1603X2+0.1242X3-0.2339X4+0.7854X5P2=0.4495X1-0.7264X2+0.0769X3-0.3992X4+0.3239X5P3=-0.3403X1-0.5625X2+0.1560X3+0.7325X4+0.0754X5P4=-0.3030X1-0.0993X2+0.7804X3-0.3449X4-0.4127X5P5=-0.5505X1-0.3468X2-0.5865X3-0.3611X4-0.3198X5由以上計(jì)算結(jié)果可以看出,第1主成分中的第5個(gè)因素的權(quán)重最大,對(duì)應(yīng)為作業(yè)方式;其次為第1個(gè)因素,對(duì)應(yīng)為開(kāi)采深度;突出預(yù)兆因素對(duì)應(yīng)的權(quán)重第3;最小的為第3個(gè)因素,對(duì)應(yīng)為地質(zhì)構(gòu)造。第2主成分中的第2個(gè)因素的權(quán)重最大,對(duì)應(yīng)為巷道類(lèi)型,其次為開(kāi)采深度。在開(kāi)采深度、巷道類(lèi)型、地質(zhì)構(gòu)造、突出預(yù)兆和作業(yè)方式5種影響因素中,可以認(rèn)為開(kāi)采深度能夠說(shuō)明一個(gè)地區(qū)的地應(yīng)力和瓦斯賦存狀況;巷道類(lèi)型對(duì)突出起著加速或抑制作用;地質(zhì)構(gòu)造帶一般煤體比較松軟、破碎、瓦斯較大,是突出最容易發(fā)生的地帶;突出預(yù)兆是突出發(fā)生前的最直觀(guān)信息;作業(yè)方式是突出的誘導(dǎo)因素。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,不同的礦區(qū)、礦井其影響突出危險(xiǎn)程度的因素也各不相同。而且瓦斯地質(zhì)理論研究已經(jīng)證實(shí),地質(zhì)構(gòu)造是控制煤與瓦斯突出發(fā)生的主要因素。從主成分分析結(jié)果可以看出,影響貴州煤與瓦斯突出的最重要因素是作業(yè)方式,其對(duì)煤體的直接作用容易使應(yīng)力得到瞬間釋放,從而造成突出,即突出的發(fā)生受外界誘導(dǎo)因素的影響作用很大。4州煤礦區(qū)始突深度總體特征1)貴州煤與瓦斯突出動(dòng)力現(xiàn)象類(lèi)型以突出和壓出為主,突出強(qiáng)度以中小型為主,近年大型和特大型突出有發(fā)生率有增高的趨勢(shì),應(yīng)引起高度注意。2)統(tǒng)計(jì)表明,貴州煤礦區(qū)